Astronaujiena. Gravitacinės bangos? Gravitacinės bangos!

Rašydamas šituos žodžius, dar nežinau, ar šiandien bus paskelbta apie gravitacinių bangų atradimą, bet visos gandų mašinos sako, kad bus. Neabejoju, kad apie atradimą bus rašoma visur žiniasklaidoje. Taip pat neabejoju, kad tarp paaiškinimų apie atradimo reikšmę bus ir teisingų, ir klaidingų, ir visiškai ne į temą. Tad parašysiu ir aš trumpą paaiškinimą, kas per dalykas tos gravitacinės bangos ir kodėl bandome jas aptikti. Galbūt tai bus ne pats klaidingiausias paaiškinimas, kurį matysite per artimiausias dienas :)

Gravitacinių bangų signalas, atsklidęs iš susijungiančios juodųjų skylių poros, užfiksuotas dviejuose detektoriuose JAV: Vašingtone ir Luizianoje. ©NASA APOD

Pradėsiu nuo nuorodos į įrašą, kurį dariau prieš beveik dvejus metus. Tada, 2014-ųjų kovą, buvo paskelbta apie pirmykščių, nuo Didžiojo sprogimo užsilikusių, gravitacinių bangų aptikimą. Tiksliau apie jų paliktą pėdsaką kosminėje foninėje spinduliuotėje. Visgi vėliau paaiškėjo, kad signalas visgi buvo mūsų Galaktikoje esančių dulkių paliktas triukšmas. Bet stebėjimai, aišku, nesiliovė.

Kaip atsiranda gravitacinės bangos? Bet kokia medžiaga iškreipia erdvę aplink save. Kuo labiau nutolstame nuo medžiagos telkinio, tuo iškreipimas menkesnis, tačiau jis yra visur. Jei kūnas juda, keičiasi ir erdvės iškreipimas, tačiau vieno tokio pasikeitimo subangavimui neužtenka. Kad atsirastų gravitacinės bangos, reikalingas judėjimas su pagreičiu. Pavyzdžiui, gravitacines bangas skleidžia dvinarės žvaigždės. Taip pat manoma, kad gravitacinių bangų turėjo kilti Visatos egzistavimo pradžioje buvusio infliacijos periodo metu.

Toks gravitacinių bangų susidarymo mechanizmas yra analogiškas elektromagnetinei spinduliuotei. Krūvį turintis objektas, judantis su pagreičiu, skleidžia spinduliuotę. Netrukus po bendrosios reliatyvumo teorijos suformulavimo, Albertas Ainštainas (tas, kurį paprastai Einšteinu vadina) išvedė ir gravitacinių bangų prognozę. Ir štai, po šimto metų jas pavyko aptikti tiesiogiai.

Kaip jas galima aptikti? Ką reiškia “tiesioginis aptikimas”? Ogi tai, kad aptiktas gravitacinių bangų sukeltas erdvės susitraukimas ir išsitempimas. Gravitacinės bangos tą ir daro – tempia erdvę. Bet kokio atstumo pokytis yra labai nedidelis, $$10^{-20}$$ eilės ar mažesnis (viskas priklauso nuo šaltinio), taigi reikalingas ir labai jautrus detektorius. Nenuostabu, kad šiam atradimui prireikė šimto metų.

Tiesiogiai bangos aptinkamos naudojant interferometrą. Tai toks prietaisas, kuriame lazerio šviesa padalinama į du spindulius, nukreipiamus ilgais tuneliais statmenomis kryptimis. Kiekvieno tunelio gale spindulys atsispindi ir grįžta atgal, tada abu spinduliai sujungiami į vieną ir nukreipiami į ekraną. Jei abiejų spindulių nukeliauti atstumai yra tiksliai vienodi, bangos interferuoja destruktyviai – viena kitą panaikina ir jokio signalo detektorius neužfiksuoja. Tačiau jei vienas iš tunelių yra ilgesnis už kitą, gaunamas signalas, nebent ilgių skirtumas yra spindulio bangos ilgio kartotinis. Gravitacinė banga, pralėkdama pro detektorių, jo tunelius iškreipia nevienodai, taigi teoriškai bangą aptikti įmanoma. Žinoma, pirmiausia reikia kuo geriau pašalinti visas kitas įmanomas vibracijas, pradedant netoliese važinėjančių automobilių keliamais virpesiais, baigiant Žemės tektoninių plokščių judėjimu.

Yra būdų aptikti gravitacines bangas netiesiogiai. Du vienas aplink kitą besisukantys objektai, spinduliuojantys šias bangas, praranda energiją, todėl jų orbita po truputį mažėja. Orbitos periodo trukmę labai tiksliai galime išmatuoti dvinariuose pulsaruose, tokiuose kaip Hulse-Taylor objektas. Šios poros sukimosi periodas trumpėja tiksliai taip, kaip prognozuoja bendroji reliatyvumo teorija, o jo atradimas 1974-aisiais metais buvo pirmasis rimtas gravitacinių bangų egzistavimo įrodymai. Atradėjai 1993-aisiais pasidalino Nobelio fizikos premiją.

Advanced LIGO atradimas. Advanced LIGO yra būtent toks interferometras, kurį aprašiau aukščiau. LIGO – Lazerinių interferometrų gravitacinių bangų observatorijos (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) – projektas pradėtas dar 1992 m., detektorius įjungtas 2002-aisiais. Per aštuonerius darbo metus gravitacinių bangų aptikti nepavyko, tada detektorius penkerius metu buvo atnaujinamas ir tobulinamas. Pernai rugsėjį, pavadintas Advanced LIGO, įjungtas iš naujo. Ir iškart, tiksliau netgi dar prieš pradedant oficialius stebėjimus, rugsėjo 14-ą dieną, užfiksuotas signalas, kuris, kaip paaiškėjo, yra dviejų susijungiančių juodųjų skylių paskleistos gravitacinės bangos.

Juodųjų skylių poros masės buvo 29 ir 36 kartus didesnės nei Saulės. Jos sukosi viena aplink kitą, o sukdamosi spinduliavo gravitacines bangas. Atstumas tarp jų mažėjo, sukimasis greitėjo, gravitacinės bangos stiprėjo, o jų dažnis didėjo. Galiausiai jos pasidarė tokios stiprios, kad Advanced LIGO detektorius sugebėjo aptikti. Pagautas signalas truko mažiau nei sekundę, bet jame aiškiai matyti bent septynios bangos keteros. Ir signalas visiškai atitiko tai, ką prognozuoja bendroji reliatyvumo teorija; būtent priderinę modelio parametrus prie signalo dažnio ir jo kitimo, LIGO komandos nariai ir nustatė juodųjų skylių mases. Juodosios skylės susiliejo į vieną, kuri dar trumpą laiką (vėlgi – trumpiau nei sekundę) virpėjo – tai matoma kaip slopstantis signalas. Iš jo savybių nustatyta, kad naujoji juodoji skylė yra 62 kartus masyvesnė už Saulę. Tai reiškia, kad 3 Saulės masės prarastos kaip energijos – išspinduliuotos gravitacinėmis bangomis. Trys Saulės masės virto energija per keletą milisekundžių. Kaip spaudos konferencijos metu gerai pastebėjo Kipas Tornas (Kip Thorne), trumpą laiką besijungiančių juodųjų skylių gravitacinė spinduliuotė turėjo daugiau galios, nei visos Visatos žvaigždės kartu sudėjus.

Toks stiprus signalas pasklido po visą Visatą. Kol atsklido iki mūsų, bangos amplitudė liko mažytė – erdvė ištempta/suspausta vos $$10^{-21}$$ karto. Advanced LIGO detektorių kiekvieno tunelio ilgis yra po 4 km; šis atstumas susitraukė ar išsiplėtė mažiau nei per vieną tūkstantąją protono skersmens dalį. Ir visgi to užteko, kad signalas būtų pagautas. Žinodami pradinę bangos energiją ir dabartinę amplitudę, astronomai nustatė ir atstumą iki jos šaltinio – 410 megaparsekų, kas atitinka 1,3 milijardo metų praeitį.

Signalas aptiktas abiejuose Advanced LIGO detektoriuose – tai žymiai padidina tikimybę, kad signalas yra tikras. Šiek tiek anksčiau jis prasidėjo Luizianoje, maždaug po septynių milisekundžių – Vašingtone. Ši informacija leido apytikriai nustatyti ir kryptį, iš kurios banga atsklido: greičiausiai tai yra pietinis dangaus, maždaug Magelano debesų link. Tikslesniam nustatymui reikėtų dar bent vieno detektoriaus, kad pavyktų trianguliuoti signalą.

Gravitacinių bangų signalas abiejuose detektoriuose (viršutiniai grafikai), teorinė prognozė (viduriniai grafikai) ir jų skirtumas (apatiniai grafikai). Apačioje esantis spalvotas žemėlapis rodo signalo dažnio kitimą laikui bėgant; kuo juodosios skylės arčiau viena kitos, tuo aukštesnio dažnio gravitacines bangas skleidžia. Paimta iš Abbott et al. (2016)

Nors signalas užfiksuotas dar rugsėjį, iki pat dabar komanda jį analizavo, tikrino jo patikimumą ir t.t. Dabar rezultatai surašyti į straipsnį, kuris praėjo recenzavimo procesą ir šiandien buvo paskelbtas žurnale Physical Review Letters.

Kas iš to? Neabejoju, kad daug kam kyla klausimas, kokia tokio atradimo prasmė. Gal jau teko matyti skambias antraštes, kad jis pakeičia visą astronomiją. Ar tikrai? Greičiausiai tikrai, bet tam reikės laiko.

Atsargiai – gravitacinės bangos! Ne, tokių perspėjančių ženklų turbūt nepamatysime :)

Kad suprastume atradimo reikšmę, reikia prisiminti, kad iki šiol visa informacija apie kosmosą mus pasiekė tik elektromagnetinių bangų pavidalu. Ar tai būtų radijo bangos, atsklindančios iš energingų dalelių sąveikų su magnetiniais laukais, ar regimieji žvaigždžių šviesos spinduliai, ar rentgeno spinduliuotė iš juodųjų skylių akrecinių diskų – visa tai yra elektromagnetinės bangos. Nepaisant to, skirtingi jų diapazonai – radijo, submilimetrinės, infraraudonosios, regimosios, ultravioletinės, rentgeno ir gama bangos – atskleidžia labai skirtingą kosmoso vaizdą, leidžia aptikti ir tyrinėti skirtingus procesus. Prieš paleidžiant pirmąjį kosminį teleskopą, buvo ginčijamasi dėl jo poreikio, nes „vis tiek juo bus matoma tas pats, kas iš Žemės, tik šiek tiek ryškiau“. Vėliau paaiškėjo, kad taip teigusieji labai klydo.

Gravitacinės bangos – fundamentaliai kitoks informacijos apie kosmosą gavimo būdas. Galėdami identifikuoti jų šaltinius, mes atveriame net ne naują langą į kosmosą, mes įgyjame naują observatoriją. Dar vieną panašią observatoriją mums duos neutrinų stebėjimai, kurių gaudymas pernai davė pirmuosius rezultatus. O šis gravitacinių bangų aptikimas mums jau atskleidė:

  • kad egzistuoja juodosios skylės; aišku, ir anksčiau astronomai tuo neabejojo, tačiau šis signalas yra tvirčiausias jų egzistavimo įrodymas, mat kyla iš ekstremalaus erdvėlaikio iškreiptumo, o ne iš aplink besisukančių dujų ar gravitacinio poveikio žvaigždėms, kaip ankstesni įrodymai;
  • kad egzistuoja dvinarės juodosios skylės; anksčiau jų egzistavimas buvo prognozuojamas teoriškai, bet aptikti nepavyko, nes tokie objektai elektromagnetiškai nieko nespinduliuoja;

  • kad egzistuoja ~30 Saulės masių juodosios skylės; anksčiau išmatuotos juodųjų skylių masės neviršijo 15 Saulės masių (čia turiu omeny ne supermasyviąsias);

  • kad juodosios skylės susilieja, o šio proceso signalas puikiai atitinka bendrojo reliatyvumo teorijos prognozes.

Ir tai – tik pirmieji duomenys, gauti dar oficialiai neprasidėjus Advanced LIGO darbui. Tikimasi, kad tolesni stebėjimai atskleis dar ne vieną gravitacinių bangų šaltinį. Advanced LIGO detektoriai jautrūs bangoms, kurių dažnis siekia nuo kelių iki tūkstančio hercų (t. y. per sekundę pro mus pralekia nuo kelių iki tūkstančio bangų keterų). Tokias bangas turėtų skleisti kompaktiškos ekstremalios dvinarės, sudarytos iš juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių, bei supernovų sprogimai. Truputį mažesnio dažnio gravitacines bangas, kurių periodai trunka nuo sekundžių iki valandų, tikimasi aptikti kosminiais interferometrais. Tokio interferometro projekto LISA (Laser Interferometer Space Array) pilotiniai detektoriai pernai išskrido į kosmosą. Dar ilgesnes gravitacines bangas tikimasi aptikti tik netiesiogiai – stebint pulsarų judėjimo pokyčius.

Antžeminių detektorių, tokių kaip LIGO, bus ir daugiau. LIGO konsorciumas šiuo metu derasi su kolegomis Indijoje, Europoje Prancūzija ir Italija bendradarbiauja Virgo konsorciume, savo detektorių stato ir Japonija. Šie detektoriai, dalindamiesi informacija, sukurs planetos dydžio gravitacinių bangų paieškos tinklą, kuris leis nustatyti ir šaltinių savybes, ir jų padėtis erdvėje. Mūsų laukia puikūs laikai ir daug naujovių.

Laiqualasse

16 comments

  1. Vis dar negaliu patikėti, man kažkaip tai protu nesuvokiama, kaip galima naudojant elektromagnetinėmis bangomis aptikti gravitacines bangas, kurios yra visiškai kitokios prigimties. Tarsi banguojant paprastą siūlą būtų bandomos aptikti elektromagnetinės bangos…

    Tarsi ir norisi tikėti mokslininkais, juo labiau kai stebimi pokyčiai atitinka sumodeliuotus teoriškai, tačiau… Kažkaip per paprasta ir per gerai atitinka teoriją. Juo labiau, kai pokyčiai per 4 km ilgio detektorių tėra protono skersmens eilės – man rodos visokie pašaliniai faktoriai turi pakankamai įtakos, kad sudarytš tokį poveikį.

    Vnž., aš šoke ir kol kas atsisakau patikėti :)

    Beje, jei detektoriai suveikė ne vienu metu, tai yra žinomas gravitacinių bangų sklidimo greitis. Ar jis lygus elektromagnetinių bangų greičiui vakume? O gal didesnis? ar mažesnis? Kokie faktoriai turi įtakos gravitacinių bangų greičiui?

    P.S. O gal galite detaliau papasakoti kaip detektoriai apsaugomi nuo tektoninių plokščių poveikio?

    1. Na, jei paimtume lazerį ir šviestume į virpinamą siūlą, tai galėtume to siūlo virpėjimą išmatuoti. Tai čia kažkas panašaus :)

      Dėl „per paprasta“ ir „per daug triukšmo“ – na, visgi šimtą metų buvo ieškoma, ar bent jau apie 20, ir tik dabar pavyko atrasti. Taip, man irgi stebėtinas toks tikslumas atrodo, bet pasitikiu atradėjais šiuo atveju.

      Gravitacinių bangų sklidimo greitis, pagal reliatyvumo teoriją, yra lygus šviesos greičiui. Bet tai nebuvo patikrinta; laiko tarpas tarp signalų užfiksavimo ir numanomas greitis buvo panaudoti siekiant nustatyti šaltinio padėtį danguje ir atstumą iki jo.

      Apie tai, kaip detektoriai apsaugomi nuo tektoninių plokščių poveikio, nežinau. Vienas iš dalykų, kurį pristatė per konferenciją, buvo keturių lygių pakabinama sistema – lazerio pluoštas juda siaurame vamzdelyje, kuris kabo ant lynų, tas, ant ko jis kabo, irgi kabo ant lynų ir taip toliau. Svyruoklės inertiškumas nuima dalį vibracijų dažnių.

      1. Tai kad ten ir kažkas į aktyvią seisminę slopinimo sistemą yra taip pat, ne vien pasyvūs amortizatoriai. Nepamenu kur, bet skaičiau apie tai. Be to užtektų kojele netoliese treptelėti…

    2. Labai, labai daug technologijų ir laiko įdėta į triukšmo šalinimus.

      Triukšmo šaltinių yra įvairių, o tektoninių plokščių judėjimas yra tik vienas iš daugelio (ir, sakyčiau, ne pats sudėtingiausias panaikinti). Štai, pavyzdžiui maždaug tuo pačiu metu buvo labai didelis žaibo išlydis Afrikoje, kuris turėjo įtakos rezultatams. Visgi patikrinus magnetometrų duomenis, jo įtaka buvo per maža sukelti tokį stiprų signalą. Kiti triukšmo šaltiniai: traukiniai, važiuojantys <100km atstumu; surface waves, susidarančios vandenynų bangoms skalaujant krantą (<400km) ar netgi įjungtas paprastas šaldytuvas į netinkamą elektros liniją, kuris sukurdavo signalą, panašų į besisukančios neutroninės žvaigždės.

      Kaip minėjo Laiqualasse, naudojama keturių lygių spyruoklių sistema, kuri panaikina didžiąją dalį triukšmo. (Įdomus faktas: tie lynai pagaminti iš labai aukštos kokybės fused silica (stiklo). Jeigu įprasta gitaros styga užgauta nustoja virpėti per ~10s, styga iš fused silica virpėtų apie tris dienas). Likusioji dalis daugiausiai yra panaikinama žiūrint į visus prietaisus, matuojančius triukšmą, o tada pagal parodymus atitinkamai į priešingą pusę pajudinti veidrodžius, kad efektai išsilygintų ir veidrodžiai liktų vietoje.

      Na, o dėl gravitacinių bangų naudojimo aptikti gravitacines bangas nėra nieko keisto, mano nuomone. Gravitacinės bangos keičia, deformuoja erdvę. Taigi, viską, kas yra erdvėje, taip pat ir elektromagnetines bangas. Teoriškai galima ir metalo gabalu aptikti gravitacines bangas, tik labai jau nepraktiška. Būtent tokie buvo pirmieji detektoriai 8-am dešimtmety. Va, kas būtų keisčiau, tai daryti atvirkštinį variantą – aptikti elektromagnetines bangas naudojant gravitacines. Teoriškai turbūt įmanoma, bet apie tai nesiplėsiu.

  2. Sveiki,
    Jus minejote, kad per atstuma grafitacines bangos silpsta. O jeigu tarkime tos juododios skyles susidurtu daug arciau, tarkime uz 100 000 sviesmeciu? Tada bangu stiprumas butu toks, kad detektoriai be vargo jas fiksuotu? O gal stiprumas butu tokas, kad poveiki jau pajustume net fiziskai? Ar gali didelio stiprumo gravitacines bangos tarkime suardyti fizines strukturas?

    1. Taip, jeigu juodosios skylės susilietų gerokai arčiau, gravitacinės bangos amplitudė būtų daug didesnė. Labai grubiai imant, santykinė amplitudė (t.y. erdvės santykinis išsiplėtimas/susitraukimas) yra lygi spinduliuojančio objekto Švarcšildo spindulio ir atstumo nuo jo iki mūsų santykiui. Taigi jei panašus susiliejimas įvyktų mūsų Galaktikoje, jo amplitudė būtų ~100km/10kpc (kiloparsekų, t.y. ~33 tūkst. šviesmečių) ~ 3*10^-15, taigi šešiomis eilėmis daugiau, nei aptikta dabar. Taip, tokį įvykį aptikti būtų žymiai lengviau. Tai, kad jų neaptikta, reiškia, kad jie vyksta pakankamai retai. Bet dabar, su patobulintais detektoriais, galbūt jų rasime ir mūsų Galaktikoje.

      1. O tarkime hipotetiskai, susidurus dviem juodosiom skylem visai arti, na, uz 100 sviesmeciu tarkime, ar gravitacines bangos gali fiziskai paveikti aplinka, tarkime suardyti planeta ir pan?

        1. Nežinau, kokios bangos amplitudės reikėtų, kad ji turėtų kažkokį reikšmingą poveikį, tai atsakyti negaliu. Bet manau, kad mažesni nei ~10^-10 santykiniai pokyčiai nebus reikšmingi. 100 km / 10^-10 = 10^15 metrų arba 0.03 pc, arba 6000 AU. Tokio stiprio poveikiui reikėtų, kad dvi juodosios skylės, kurių kiekvienos masė ~30 Saulės masių, susidurtų kažkur Saulės sistemos pakraštyje. Jei taip įvyktų, manau, kad turėtume didesnių problemų, nei gravitacinė banga.

  3. Atgalinis pranešimas: Neutrinų astronomija | Konstanta-42

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *